La rete elettrica è un'infrastruttura complessa che consente il trasferimento dell'energia elettrica dagli impianti di produzione agli utenti finali, attraverso una gerarchia di reti di trasmissione e distribuzione. Nata alla fine del XIX secolo con le prime reti locali in corrente continua, si è evoluta in una rete interconnessa su vasta scala, principalmente in corrente alternata, capace di garantire il bilanciamento continuo tra produzione e consumo.
Storia
Introduzione
Prima della diffusione della rete elettrica, l'energia elettrica veniva generalmente prodotta in prossimità del dispositivo o del servizio che la utilizzava, attraverso piccoli generatori isolati. Questo modello decentralizzato fu progressivamente abbandonato con lo sviluppo delle reti di trasmissione, che permisero di centralizzare la produzione in impianti più efficienti e di distribuirla su larga scala agli utenti finali.
Fino al 1880, l'elettricità non era ancora ampiamente utilizzata, e si preferivano fonti come il vapore, l'energia idraulica e il gas di carbone. Quest'ultimo veniva inizialmente prodotto in loco, direttamente nei locali dei consumatori. In seguito, furono sviluppati impianti centralizzati di gassificazione, che sfruttavano le economie di scala, ma richiedevano la realizzazione di reti rudimentali per distribuire il gas a più utenze.
Durante il processo di industrializzazione, le città costruirono le prime reti di distribuzione non per l'elettricità, ma per il gas utilizzato nell’illuminazione. Col tempo, tuttavia, emerse l’inefficienza delle lampade a gas: producevano una quantità limitata di luce, generavano un’elevata dispersione di calore e comportavano rischi significativi per la salute, a causa di frequenti fuoriuscite di idrogeno e monossido di carbonio. Gli ambienti in cui erano installate tendevano a diventare caldi, fumosi e malsani.
A partire dal 1880, l’illuminazione elettrica iniziò a essere progressivamente preferita nelle città industrializzate, grazie alla maggiore efficienza e sicurezza rispetto al gas. Di conseguenza, la produzione e la distribuzione del gas per usi illuminotecnici furono gradualmente sostituite da quelle dell’energia elettrica.
Grazie alle economie di scala, le società di servizi elettrici adottarono un modello basato sulla generazione centralizzata dell’energia elettrica, occupandosi della sua produzione, trasmissione, distribuzione e gestioneBorberly, A. and Kreider, J. F. (2001). Distributed Generation: The Power Paradigm for the New Millennium. CRC Press, Boca Raton, FL. 400 pgs.. La possibilità di trasmettere energia su lunghe distanze rese inoltre possibile l’interconnessione tra stazioni geograficamente distanti, facilitando il bilanciamento dei carichi e migliorando i fattori di carico dell’intero sistema.
Nel Regno Unito
Nel 1901, nel Regno Unito, Charles Hesterman Merz, partner dello studio di consulenza Merz & McLellan, realizzò la centrale elettrica di Neptune Bank, nei pressi di Newcastle upon Tyne, una delle prime centrali a utilizzare la corrente alternata per la distribuzione su larga scala. Nel 1912 fu progettato e messo in funzione, sempre sotto la sua supervisione, il più grande sistema di alimentazione elettrica in Europa. Nel 1918, Merz fu nominato presidente di una commissione parlamentare e le sue conclusioni contribuirono alla stesura della cosiddetta "Relazione Williamson", un documento fondamentale per la pianificazione e lo sviluppo del sistema elettrico nazionale britannico.
Un anno dopo, Merz presentò una proposta di legge per l’approvvigionamento elettrico, che rappresentò il primo passo verso la creazione di un sistema elettrico integrato nel 1926. La legge sull’energia elettrica portò all’istituzione della "Rete di Trasmissione Nazionale". Il Consiglio Centrale Elettrico standardizzò la fornitura di energia elettrica a livello nazionale, istituendo la prima rete a corrente alternata (AC) operante a 132 kilovolt (kV) e frequenza di 50 hertz (Hz).
Nel 1938 il Consiglio Centrale Elettrico iniziò a operare come un sistema elettrico nazionale integrato, noto come la National Grid.
Negli USA
Negli Stati Uniti, a partire dal 1920, vari enti intrapresero collaborazioni per condividere la copertura dei carichi di picco e garantire una fornitura più affidabile di energia elettrica. Nel 1934, con l’approvazione del "Public Utility Holding Company Act", le utenze elettriche furono riconosciute come servizi essenziali e sottoposte a normative che ne regolamentarono le operazioni e la supervisione.
Successivamente, nel 1992, l’Energy Policy Act stabilì che la proprietà delle linee di trasmissione fosse separata da quella delle società di generazione elettrica, consentendo il libero accesso alla rete. Questo provvedimento portò a una ristrutturazione del settore elettrico, finalizzata a promuovere la concorrenza nella produzione di energia. Di conseguenza, le utenze elettriche non furono più gestite come monopoli verticali, in cui generazione, trasmissione e distribuzione erano controllate da un’unica azienda. Attualmente, queste tre fasi possono essere affidate a diverse imprese, al fine di garantire un accesso equo alle reti di trasmissione ad alta tensione..
L’Energy Policy Act del 2005 ha introdotto incentivi e garanzie sui prestiti per la produzione di energie rinnovabili e ha promosso l’adozione di tecnologie innovative finalizzate a ridurre le emissioni di gas serra.
In Francia
In Francia, l’elettrificazione iniziò intorno al 1900, con 700 comune serviti nel 1919 e 36.528 nel 1938. Contemporaneamente, le reti locali iniziarono a essere interconnesse: Parigi nel 1907 a 12 kV, i Pirenei nel 1923 a 150 kV e, nel 1938, quasi tutte le reti del paese erano connesse a 220 kV, rendendo la Francia la nazione con la rete più estesa e densa al mondo nel 1946. In quell’anno, la nazionalizzazione dell’industria elettrica portò all’acquisizione delle aziende private nella società statale Électricité de France. La frequenza fu standardizzata a 50 Hz e la rete a 225 kV sostituì progressivamente le linee a 110 e .
Dal 1956, la tensione di distribuzione in bassa tensione fu standardizzata a 220/380 V, sostituendo il precedente sistema a 127/220 V. Negli anni ’70 fu introdotto il nuovo standard europeo per la trasmissione ad alta tensione a 400 kV.
In Italia
In Italia, tra il 1898 e il 1962, le attività di produzione e distribuzione dell’energia elettrica erano gestite da alcuni gruppi oligopolistici. Nel 1962 avvenne la nazionalizzazione del settore con la creazione di ENEL.
Il processo di liberalizzazione del settore elettrico in Italia ebbe inizio nel 1999 con il Decreto Bersani, che recepì una direttiva comunitaria volta alla liberalizzazione del mercato. Negli anni successivi, le attività di distribuzione dell’energia furono separate da quelle di produzione e vendita. Il trasporto dell’energia sulle reti ad alta e altissima tensione è gestito da TERNA, mentre la distribuzione in media e bassa tensione è affidata ai distributori locali. Il principale distributore italiano è e-distribuzione SpA, che ha ereditato la rete precedentemente gestita da ENEL. Tra gli altri distributori importanti figura ACEA, che opera in diverse aree, tra cui molte zone del comune di Roma.
Caratteristiche
Per Rete Elettrica si intende una rete elettrica di potenza collegata a centrali elettriche, che inizialmente producono energia elettrica, la quale poi viene trasportata ad alta tensione (rete di trasmissione) fino a cabine elettriche di trasformazione a media e bassa tensione, e da qui fino ai punti dove si trova la domanda attraverso le linee di distribuzione che così raggiungono i singoli clienti/utenti finali (rete di distribuzione)Kaplan, S. M. (2009). Smart Grid. Electrical Power Transmission: Background and Policy Issues. The Capital.Net, Government Series. Pp. 1-42..
Le centrali elettriche sono spesso collocate vicino a una fonte di energia, come impianti a combustibile fossile, dighe o strutture che sfruttano fonti di energia rinnovabile, e sono generalmente situate lontano da aree densamente popolate. La loro dimensione consente di sfruttare le economie di scala. La potenza elettrica viene generata ad alta tensione, riducendo le perdite per dissipazione durante il trasporto sulla rete di trasmissione.
La rete di trasmissione della potenza elettrica collega punti anche geograficamente distanti e può attraversare confini internazionali. Questa rete si estende ininterrottamente dal produttore fino alla sottostazione del cliente all’ingrosso, che generalmente è una società proprietaria della rete locale di distribuzione di energia elettrica. Arrivata alla sottostazione, la potenza elettrica viene trasformata dall’alta tensione di trasmissione a un livello di tensione medio, adeguato alla distribuzione. La rete a media tensione si articola in cabine di distribuzione, da cui si dirama il cablaggio di distribuzione. Infine, all’arrivo presso il punto di consumo, la tensione viene ulteriormente ridotta da quella di distribuzione alla tensione richiesta dal servizio.
Geografia delle reti di trasmissione
Le reti di trasmissione sono strutturalmente complesse e caratterizzate da un elevato grado di magliatura, che consente molteplici percorsi per il flusso di energia e aumenta l’affidabilità del sistema.
Una rete sincrona è costituita da un insieme di aree che operano tutte in corrente alternata (AC) a frequenza sincronizzata. Questo permette la trasmissione di energia su tutta la zona e il collegamento di numerosi generatori e consumatori, favorendo un mercato elettrico più efficiente. In una rete sincrona, tutti i generatori funzionano non solo alla stessa frequenza, ma anche in fase. Ciascun generatore è regolato localmente tramite un regolatore che controlla la coppia motrice, gestendo l’alimentazione di vapore alla turbina. Generazione e consumo devono essere costantemente bilanciati sull’intera rete, poiché l’energia elettrica viene consumata quasi istantaneamente al momento della sua produzione. L’energia può essere immagazzinata solo per tempi molto brevi — dell’ordine dell’inverso della frequenza di esercizio, circa 2 millisecondi — sotto forma di energia cinetica rotazionale accumulata nei generatori.
Un guasto significativo in una parte della rete, se non compensato tempestivamente, può provocare un'inversione della direzione della corrente che fluisce dai restanti generatori verso i consumatori su linee di trasmissione con capacità insufficiente, causando ulteriori guasti. Un aspetto negativo delle reti ampiamente interconnesse è quindi il rischio di guasti a cascata e conseguenti interruzioni diffuse di corrente, i cosiddetti «blackout».
L’autorità centrale è un organismo incaricato di facilitare la comunicazione e sviluppare protocolli per mantenere la stabilità della rete. Ad esempio, la North American Electric Reliability Corporation (NERC) ha acquisito poteri vincolanti negli Stati Uniti nel 2006 e svolge funzioni consultive nelle regioni applicabili, anche del Canada e del Messico. Il governo degli Stati Uniti ha inoltre identificato i National Interest Electric Transmission Corridors, aree in cui si ritiene si siano sviluppati i colli di bottiglia nella trasmissione elettrica.
Alcune aree, come le comunità rurali in Alaska, non sono connesse a una rete di grandi dimensioni, ma si basano invece su generatori diesel locali.Energy profile of Alaska, United States , Editor: Cutler J. Cleveland, Last Updated: July 30, 2008 - Encyclopedia of Earth
Le linee in corrente continua ad alta tensione (HVDC) possono essere utilizzate per collegare due reti in corrente alternata che non sono sincronizzate tra loro. Questo permette l’interconnessione senza la necessità di sincronizzare aree estese, offrendo maggiore flessibilità e controllo nella gestione del flusso di energia.
Struttura delle reti di distribuzione